基于单片机的双轴光伏寻日系统设计

摘要：双轴光伏寻日系统可以跟踪太阳的运动，使光伏组件始终正对着太阳接受到更多的太阳辐射，从而提高光伏板的输出功率。该装置以AT89S52单片机为核心处理芯片，采用时控与光控相结合的方式，控制直流电机实现寻日跟踪。通过实际安装测试，先伏发电系统的发电量得到显著提高，达到预期目标。
关键词：光伏发电；寻日系统；单片机；双轴

能源是促进经济发展和社会进步的原动力，从工业革命以来，人类所使用的主要能源为石化能源，然而其蕴藏量有限，大量的使用会造成全球环境生态和气候产生很大的变化，而太阳能是一种取之不尽、用之不竭并且无污染的清洁能源，随着人类对能源的使用从常规能源向可再生能源转移，太阳能则成为人类理想的替代能源。而目前的太阳能发电效率普遍都不高，所以如何增加太阳能发电系统的发电效率是值得研究的。
使用太阳跟踪技术，使光伏电池板始终面向光强最强的方向，可以很好的提高光伏发电系统的发电效率，据研究表明，具有双轴式光伏寻日跟踪系统的光伏发电系统，其发电效率比固定无跟踪发电系统的效率提高40％左右，文中研究的是基于AT89S52单片机的光伏双轴跟踪系统设计。

1 系统总体设计
寻日系统光伏板跟踪方式有光控和时控两种，光控方式是使用光强传感器，根据光线的强弱判断太阳的位置，然后驱动电机转动支架进行跟踪；时控方式是根据经纬坐标，利用计算公式计算太阳的位置并进行跟踪。本系统采用时控与光控互补结合控制的方式，光线较强时采用双轴跟踪传感器进行跟踪控制，光线较弱时采用时控方式根据经纬度与时间进行跟踪控制。系统总体结构图如图1所示。

本系统包括双轴跟踪传感器、风速传感器、水平电机、俯仰电机、LCD显示、按键手动输入调节、时钟芯片、AT89S52单片机以及相应的外围电路等。光伏装置有两个自由度。控制机构通过水平电机和俯仰电机对水平方向与垂直方向进行调整，控制装置的位置将由双轴跟踪传感器对其位置进行反馈。由控制系统对调整是否到位进行判断。时钟芯片的初始时间由按键输入，以便采用时控方式。

2 系统硬件电路设计
从寻日系统的功能、成本、接口电路等方面综合考虑，本系统采用ATMEL公司的AT89S52单片机为控制核心，该单片机具有8 kB的nash ROM和256 kB的RAM，支持ISP下载功能，支持空闲、掉电两种可选节电模式。在系统结构上，由传感器模块、显示模块、输出模块和电机驱动模块4部分构成。
2．1 传感器模块及接口设计
1)双轴跟踪传感器
双轴跟踪传感器是由上遮光板、侧遮光板、光敏传感器、底座组成，外观与结构图见图2所示。传感器安装在光伏板上，传感器中4个光敏电阻用来检测太阳相对光伏板的相对位置，若传感器没有正对着太阳，由于遮光板的遮光作用，会引起光敏电阻的阻值发生变化，电阻的偏差被送入驱动电路中，电路里产生相应的控制信号控制电机，从而导致光伏板发生旋转，最终达到与太阳正对的方向。

双轴跟踪传感器控制电路也包括两个电压比较器，光敏电阻RT1、RT2是一种电阻值随着光照强度发生变化的的电阻，当阳光直射时，两个光敏电阻的阻值相同，运算放大器LM358的同相输入端和反相输入端的电压差为0，此时单片机上无输入；若阳光不处于直射位置，则两个光敏电阻RT1和RT2的阻值不相同，LM358的两端会产生电压差，由于运算放大器处于开环状态，因此会给单片机发出控制指令0或1，从而控制电机向某一方向旋转。其基本原理如图3所示。

2)风速传感器
风速传感器用于检测当前风速，当在台风天气中，风速超过预设值时，控制系统使太阳能电池板处于水平位置，从而减小受风面积，避免太阳能装置因风力过大而受损。风速传感器的型号为FC-2A3，输出为0～5 V的电压，测量风速范围0～30 m／s。传感器的信号经过A／D转换后送入单片机，A／D转换器选用TLC0831，是8位逐次逼近电压型A／D转换器，支持单信道输入串口输出，极性设置固定，不需寻址，其内部有一采样数据比较器将输入的摸拟信号微分比较后转换为数字信号。模拟电压采用差分输入方式有利于抑制共摸信号，减少或消除转换的偏移误差。电压基准输入可调，使小范围摸拟电压信号转化时的分辨率更高。由标准移位寄存器或徽处理器将时间变化的数字信号分配到串口输出，当IN-接地时为单端工作，此时IN+为输入，也可将信号差分后输入到N+与N-之间，此时器件处于双端工作状态。其电路设计如图4所示。